Schallmessraum mit hydroakustischem Prüfstand einschl. Messtechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der reflexionsarme Halbraum, die dazugehörige Messtechnik und Datenerfassung wurden und werden seit der Inbetriebnahme in verschiedenen Forschungsprojekten umfangreich genutzt. Die Themenschwerpunkte konzentrieren sich auf die Erforschung der Schallentstehung in hydraulische Strömungsmaschinen und der resultierenden Schallabstrahlung. Dabei werden unterschiedliche Mechanismen erforscht, die zur Anregung, Weiterleitung und Abstrahlung von Hydro-, Luft- und Körperschall führen. Die schallentkoppelte Integration eines Wasserkreislaufes in den reflexionsarmen Halbraum stellt dabei ein Alleinstellungsmerkmal gegenüber anderen Anlagen dar und ermöglicht präzise Untersuchungen der hydroakustischen und aeroakustischen Schallabstrahlung von Strömungsmaschinen. Weiterhin erlaubt diese Konfiguration auch die Durchführung von Forschungsprojekten zur Vibroakustik hydraulischer Strömungsmaschinen. In den seit Januar 2013 durchgeführten Forschungsvorhaben wurde u.a. das akustische Verhalten von Pumpen und deren Antrieben erforscht. Einen erheblichen Einfluss darauf haben strömungsinduzierte Schallanteile. Aus diesem Grund wurden in einigen Projekten auch detaillierte Strömungsuntersuchungen bei verschiedenen Betriebszuständen (Teil-, Nenn- und Überlast) durchgeführt. In mehreren Forschungsvorhaben zu Pumpen kleiner spezifischer Drehzahl wurden die strömungsmechanischen Vorgänge auf Basis von Wanddruck- und Wandschubspannungsmessungen erfasst und zur Validierung von CFD Berechnungen herangezogen, wobei u.a des Mehrkanalmesssystem und die Druckmesstechnik umfangreich genutzt wurden. Die Ergebnisse in Form der ermittelten Wandruckfluktuationen zeigten, dass URANS CFD Verfahren nicht ausreichend sind, um die Strömung in Pumpen mit kleiner spezifischer Drehzahl hinreichend genau zu beschreiben. Innerhalb eines weiteren Forschungsprojektes mit dem Titel „Experimentelle Untersuchung der Schallentstehung in Pumpen und Antrieben“ wurde der Prototyp einer radialen Versuchspumpe und der benötigten Peripherie für akustische Untersuchungen konzeptioniert, konstruiert und gefertigt. Die Versuchspumpe erlaubt die simultane Messung transienter Wanddruckfluktuationen, resultierend aus der Interaktion zwischen der Laufradströmung und der Gehäusestruktur, sowie die Messung der Hydroschallintensität in der Saug- und Druckleitung durch dynamische Drucksensoren und Hydrophone. Die Luftschallabstrahlung der Pumpe wird durch „low noise“ Messmikrofone, eine Schallintensitätssonde bzw. eine „akustischen Kamera“ erfasst. Die Betriebsschwingungen werden mit Beschleunigungssensoren gemessen. Alle Messgrößen können durch die Verwendung eines Mehrkanalmesssystems simultan erfasst werden. Zur Vermeidung akustischer Störeinflüsse wurde der gesamte Antriebsstrang der Versuchspumpe vibroakustisch entkoppelt aufgebaut und die für den wassergekühlten Elektromotor benötigte Leistungselektronik außerhalb der Schallmesskabine installiert. Die Integration des gesamten Versuchsaufbaus und abschließende Funktionstests wurden in 2015 abgeschlossen. Die Ergebnisse der ersten Forschungsarbeiten zeigten deutliche Unterschiede in der spektralen Zusammensetzung der Wanddruckfluktuationen in Abhängigkeit vom Betriebspunkt wodurch sich die Abstrahlungscharakteristik bezüglich des Luftschalls verändert. Die gemessen Unterscheide manifestierten sich dabei am deutlichsten in den Amplituden der Harmonischen der Schaufeldurchgangsfrequenz. Die in Form der Wandruckfluktuationen gemessene Veränderung in der Dynamik des turbulenten Strömungsfeldes sollte sich damit auch in Form unterschiedlich stark ausgeprägter kohärenter Strömungsstrukturen wiederspiegeln, welche an die Harmonischen der Schaufeldurchgangsfrequenz geknüpft sind. Für die Analyse kohärenter Strömungsstrukturen in Pumpen werden die experimentellen Untersuchungen derzeit durch instationäre CFD Simulationen des turbulenten Strömungsfeldes ergänzt und mithilfe der niederdimensionalen Modenzerlegung (POD) analysiert. In einem weiterführenden Forschungsprojekt werden derzeit experimentelle Untersuchungen durchgeführt und mit instationären CFD Analysen kombiniert, um den Einfluss der Laufradgeometrie auf die resultierenden Wandruckfluktuationen und den Hydro- und Luftschall aufzuzeigen. In einem DFG finanzierten Forschungsprojekt (36 Monate) werden ab Juni 2016 Grundlagenuntersuchungen zur Schallabstrahlung von nabenlosen Propellern durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wird u.a. ein nabenloser Propeller in den hydraulischen Kreislauf der Schallmesskabine integriert. Anschießend werden PIV- und instationäre Wandruckmessungen durchgeführt. Zusätzlich werden die hydroakustischen Eigenschaften durch instationäre Druckmessungen mit Hydrophonen analysiert und erforscht. In einem fünften Projekt wird die gesamte Infrastruktur der Schallmesskabine als Testumgebung sowie für umfangreiche Kalibrierprozeduren hydroakustischer Sensoren genutzt, die bei der Entwicklung einer 3D Hydroschallintensitätssonde eingesetzt werden (Projekt InNoise, 36 Monate Laufzeit). Durch die hervorragende akustische Abschirmung der Kabine gegenüber akustischen Störquellen von außen, ist sie sehr gut für alle akustischen Kalibrieraufgaben geeignet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Experimentelle Untersuchung der Schallentstehung in Pumpen und Antrieben“ Abschlussbericht zum VDMA Eigenmittelprojekt Nr. 703040
M. Witte, S. Bleeck und F.-H. Wurm
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Analysis of Losses in Centrifugal Pumps with Low Specific Speed with Smooth and Rough Walls In: Martelli, Francesco; Díaz, Raúl Vázquez (Hrsg.): Proceedings of the 11th European Conference on Turbomachinery, 2015, S. 1-10
Juckelandt,K; Bleeck,S.;Wurm, F.-H.
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Applicability of Wall- Function Approach in Simulations of Turbomachines. ASME (Hrsg.): Proceedings of the ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition - 2015. New York, N.Y.: ASME, 2015, S. 1-10
Juckelandt,K.; Wurm,F.-H.
